CN112710216A - 一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置及其方法，该船用柴油机机身孔系同轴度检测装置包括多功能定心测头、激光发射系统和数据采集以及处理子系统组成，多功能定心测头主要包括自定心测头、PSD位敏传感器和直流电机，激光发射系统主要包括激光发射器和移动升降平台，数据采集与处理系统主要包括数据采集卡和PC机组，PSD位敏传感器将光点位置经过前置放大电路转换为电信号，通过PCIe数据采集卡送入计算机进行处理，从而确定被测孔的轴线投影到PSD坐标系中点的位置变化，最后将所有孔的圆心坐标通过平面点集最小包容圆算法分析得到被测孔系的同轴度，本发明结构设计巧妙，测量精度高，测量平台搭建方便，降低测量成本。

Description

一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量 装置及其方法

技术领域

本发明属于机器视觉测量的技术领域，特别是涉及一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置及其方法。

背景技术

船用柴油机机身在柴油机中占据重要的位置，是所有装配的基准，其孔系加工精度控制是主要的技术难点之一，其中曲轴孔和凸轮轴孔同轴度的测量属于长距离多孔径同轴度测量，对于该类工件同轴度误差的检测方法，主要采用长轴塞规测量法和三坐标测量法，其中长轴塞规法检测结果很难保证零件的合格率，用三坐标进行同轴度的检测不仅直观且又方便，其测量结果精度高，并且重复性好，但是三坐标测量机虽然有较高的检测精度，但是其对测量环境的要求也非常高，其中温度和湿度的影响最大，一般温度要保持在20℃±2℃，湿度要控制在55％以下，虽然有公司开发了机罩系统，将三坐标测量机用于生产车间，但是其测量速度较慢，无法满足船用柴油机机身孔系同轴度在线检测的要求，因此需要设计一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置及其方法来解决上述问题。

发明内容

本发明针对船用柴油机机身孔系同轴度误差测量的难题，提供了一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置及其方法，操作简单高效，测量精度较高且具有较强的环境适应性，更加符合实际的生产加工要求，具体方案如下：

本发明提供一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，包括多功能定心测头、激光发射系统和数据采集以及处理子系统组成，所述多功能定心测头主要包括自定心测头、PSD位敏传感器和直流电机，激光发射系统主要包括激光发射器和移动升降平台，多自由度运动平台上安装有船用柴油机机身，所述船用柴油机机身的一侧安装有所述移动升降平台，所述移动升降平台上安装有激光发射器，所述船用柴油机机身的另一侧安装有多功能定心测头，所述多功能定心测头上设置有定向杆，调整所述多自由度运动平台和所述移动升降平台，设置所述多功能定心测头和PSD位敏传感器，通过PSD位敏传感器检测出多功能定心测头位置变化信息。

本发明的进一步改进在于：所述激光发射器水平的安装在所述移动升降平台上，保证激光发射器发射的激光是水平的。

本发明的进一步改进在于：安装在所述多自由度运动平台上的所述船用柴油机机身需水平放置，所述船用柴油机机身的两个侧面与水平面呈垂直角度。

本发明的进一步改进在于：所述多功能定心测头由PSD光敏面、前端放大电路、三爪测头、联轴器和棘轮以及直流电机组成。

本发明的进一步改进在于：所用的计算机分析计算，包括光点坐标位置计算和采用平面点集最小包容圆算法求解PSD坐标平面内光点的最小包容圆直径。

本发明的进一步改进在于：所述的测量实现方法主要包括以下步骤，

(1)将所述船用柴油机机身固定在所述多自由度运动平台上，将所述激光发射器安装在所述移动升降平台上，调节所述多自由度运动平台和所述移动升降平台，使得机身和激光发射器处于水平状态，使得孔的截面处于竖直方向，使得激光束可以完全通过机身被测孔系，并保证在测量过程中激光可以穿过被测的孔照射到PSD位敏传感器的PSD光敏面和所述定向杆上；

(2)调整所述多功能定心测头，保证所述多功能定心测头处于水平状态，同时使辅助激光能照射到所述定向杆上；

(3)将所述多功能定心测头伸进第一个被测孔内，通过给直流电机通电后，直流电机开始旋转，通过一系列的机械传动部件，将电机的旋转量转变为多功能定心测头的3个测爪的径向位移，当3个测爪都触碰到被测孔壁后，直流电机停止工作，采集第一个光点的位置信息；

(4)测量过程中保持所述多自由度运动平台和所述移动升降平台不动，水平移动所述多功能定心测头，并保证激光一直能照射到所述定向杆上，逐次采集各孔多个径向截面尺寸和圆心位置参数信息；

(5)逐次测量所有的被测孔，得到一系列的光点位置信息，计算机采集位敏传感器测量的数据并运算处理，通过计算机计算出各光点在PSD坐标系中的位置坐标，根据激光光斑位置进行测量头方向和位置误差的实时采集，直到整个截面圆测量结束，并通过平面点集最小包容圆算法分析计算得出被测孔系的同轴度。

本发明的有益效果是：本发明结构设计巧妙，测量精度较高，测量平台搭建方便，大大降低了测量成本，解决了现有船用柴油机机身孔系同轴度检测难、检测不精确以及检测成本较高等问题，尤其适用于船用柴油机机身孔系同轴度的测量。

附图说明：

图1是测量系统原理图；

图2是多功能定心测头结构示意图；

图3是柴油机机身同轴度误差测量示意图；

图4是平面点集最小包容圆算法流程图。

其中：1-多功能定心测头、2-自定心测头、3-激光发射器、4-移动升降平台、 5-多自由度运动平台、6-船用柴油机机身、7-定向杆、8-PSD位敏传感器、9-三爪测头、10-联轴器、11-棘轮、12-直流电机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，包括多功能定心测头、激光发射系统和数据采集以及处理子系统组成，所述多功能定心测头1为三爪测头，可以自动定位被测孔圆心的位置，所述多功能定心测头1主要包括自定心测头2、PSD位敏传感器8和直流电机12，激光发射系统主要包括激光发射器3和移动升降平台4，所述激光发射器3可以持续地发射稳定的激光，所述移动升降平台4可以做上下左右的运动，多自由度运动平台5上安装有船用柴油机机身6，所述船用柴油机机身6需牢固的固定在多所述自由度运动平台5 上，保证所述多自由度运动平台5在运动调整及测量过程中，船用柴油机机身6 与所述多自由度运动平台5的相对位置保持不变，所述船用柴油机机身6的一侧安装有所述移动升降平台4，所述移动升降平台4上安装有激光发射器3，所述船用柴油机机身6的另一侧安装有多功能定心测头1，所述多功能定心测头1上设置有定向杆7，调整所述多自由度运动平台5和所述移动升降平台4，设置所述多功能定心测头1和PSD位敏传感器8，通过PSD位敏传感器检测出多功能定心测头1位置变化信息，PSD位敏传感器可以测得光斑能量中心在以PSD的中心点为原点建立的坐标系中的坐标，将PSD位敏传感器放在多功能定心测头1 的中心位置上，调节移动升降平台4，使得激光束可以完全通过被测孔系照射到 PSD位敏传感器8上，并使激光束与被测孔系截面垂直，二维PSD一共有二对电极，因此一共有4个光电流输出引脚，在PSD坐标系OXY中，设X方向的光电流分别为I₁和I₂,Y方向的光电流分别为I₃和I₄，则输入光斑能量中心位置坐标(X,Y)表达式为：

通过数据采集卡获取多次测量信号并高速发送数据进入计算机实施计算。

所述激光发射器3水平的安装在所述移动升降平台4上，保证激光发射器发射的激光是水平的，安装在所述多自由度运动平台5上的所述船用柴油机机身6 需水平放置，所述船用柴油机机身6的两个侧面与水平面呈垂直角度。所述多功能定心测头1由PSD光敏面、前端放大电路、三爪测头9、联轴器10和棘轮11 以及直流电机12组成，所用的计算机分析计算，包括光点坐标位置计算和采用平面点集最小包容圆算法求解PSD坐标平面内光点的最小包容圆直径。

一种位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置的测量方法，所述的测量实现方法主要包括以下步骤，

(1)将所述船用柴油机机身固定在所述多自由度运动平台上，将所述激光发射器安装在所述移动升降平台上，调节所述多自由度运动平台和所述移动升降平台，使得机身和激光发射器处于水平状态，使得孔的截面处于竖直方向，使得激光束可以完全通过机身被测孔系，并保证在测量过程中激光可以穿过被测的孔照射到PSD位敏传感器的PSD光敏面和所述定向杆上；

(2)调整所述多功能定心测头，保证所述多功能定心测头处于水平状态，同时使辅助激光能照射到所述定向杆上；

(3)将所述多功能定心测头伸进第一个被测孔内，通过给直流电机通电后，直流电机开始旋转，通过一系列的机械传动部件，将电机的旋转量转变为多功能定心测头的3个测爪的径向位移，当3个测爪都触碰到被测孔壁后，直流电机停止工作，采集第一个光点的位置信息，因为3个测爪是对称分布并且具有相同的运动状态，所以3个测爪的对称中心即可认为是被测孔的中心，3个测爪的中心与PSD的几何中心有一定的位置关系，而PSD几何中心的位置变动可以间接地由光斑坐标的变化来表示；

(4)测量过程中保持所述多自由度运动平台和所述移动升降平台不动，水平移动所述多功能定心测头，并保证激光一直能照射到所述定向杆上，逐次采集各孔多个径向截面尺寸和圆心位置参数信息；

(5)逐次测量所有的被测孔，得到一系列的光点位置信息，计算机采集位敏传感器测量的数据并运算处理，通过计算机计算出各光点在PSD坐标系中的位置坐标，根据激光光斑位置进行测量头方向和位置误差的实时采集，直到整个截面圆测量结束，并通过平面点集最小包容圆算法分析计算得出被测孔系的同轴度。平面点集最小包容圆算法的步骤如下：

STEP 1:计算点群P的距离矩阵，选取距离最大两点，设为a、b；

STEP 2:求以ab为直径的圆O，判断O是否能覆盖所有点，是则输出该圆，否则继续；

STEP 3:计算所有点到ab的距离，并以距离降序排列点，得到新点群p^；

STEP 4:从p’中取出当前栈顶的点，与a、b构成三角形S，求S的外接圆O’，判断O能否覆盖点p’群中的所有点，是则输出当前圆，否则继续迭代，直到栈为空。

本发明的有益效果是：

本发明结构设计巧妙，测量精度较高，测量平台搭建方便，大大降低了测量成本，解决了现有船用柴油机机身孔系同轴度检测难、检测不精确以及检测成本较高等问题，尤其适用于船用柴油机机身孔系同轴度的测量。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，其特征在于，包括多功能定心测头(多功能定心测头为三爪测头，可以自动定位被测孔圆心的位置)、激光发射系统和数据采集以及处理子系统组成，所述多功能定心测头主要包括自定心测头、PSD位敏传感器和直流电机，激光发射系统主要包括激光发射器和移动升降平台，多自由度运动平台上安装有船用柴油机机身，所述船用柴油机机身的一侧安装有所述移动升降平台，所述移动升降平台上安装有激光发射器，所述船用柴油机机身的另一侧安装有多功能定心测头，所述多功能定心测头上设置有定向杆，调整所述多自由度运动平台和所述移动升降平台，设置所述多功能定心测头和PSD位敏传感器，通过PSD位敏传感器检测出多功能定心测头位置变化信息。

2.根据权利要求1所述的一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，其特征在于：所述激光发射器水平的安装在所述移动升降平台上，保证激光发射器发射的激光是水平的。

3.根据权利要求1所述的一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，其特征在于：安装在所述多自由度运动平台上的所述船用柴油机机身需水平放置，所述船用柴油机机身的两个侧面与水平面呈垂直角度。

4.根据权利要求1所述的一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，其特征在于：所述多功能定心测头由PSD光敏面、前端放大电路、三爪测头、联轴器和棘轮以及直流电机组成。

5.根据权利要求1所述的一种采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置，其特征在于：所用的计算机分析计算，包括光点坐标位置计算和采用平面点集最小包容圆算法求解PSD坐标平面内光点的最小包容圆直径。

6.利用权利要求1至5任一项采用位敏传感器测量船用柴油机机身孔系同轴度的测量装置的测量方法，其特征在于：所述的测量实现方法主要包括以下步骤，

(1)将所述船用柴油机机身固定在所述多自由度运动平台上，将所述激光发射器安装在所述移动升降平台上，调节所述多自由度运动平台和所述移动升降平台，使得机身和激光发射器处于水平状态，使得孔的截面处于竖直方向，使得激光束可以完全通过机身被测孔系，并保证在测量过程中激光可以穿过被测的孔照射到PSD位敏传感器的PSD光敏面和所述定向杆上；

(2)调整所述多功能定心测头，保证所述多功能定心测头处于水平状态，同时使辅助激光能照射到所述定向杆上；

(3)将所述多功能定心测头伸进第一个被测孔内，通过给直流电机通电后，直流电机开始旋转，通过一系列的机械传动部件，将电机的旋转量转变为多功能定心测头的3个测爪的径向位移，当3个测爪都触碰到被测孔壁后，直流电机停止工作，采集第一个光点的位置信息；

(4)测量过程中保持所述多自由度运动平台和所述移动升降平台不动，水平移动所述多功能定心测头，并保证激光一直能照射到所述定向杆上，逐次采集各孔多个径向截面尺寸和圆心位置参数信息；

(5)逐次测量所有的被测孔，得到一系列的光点位置信息，计算机采集位敏传感器测量的数据并运算处理，通过计算机计算出各光点在PSD坐标系中的位置坐标，根据激光光斑位置进行测量头方向和位置误差的实时采集，直到整个截面圆测量结束，并通过平面点集最小包容圆算法分析计算得出被测孔系的同轴度。

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